電容式指紋傳感器FPC1011C的指紋識別系統(tǒng)

摘要：闡述一款基于DSP(Digital Signal Processor)的嵌入式指紋識別系統(tǒng)，對其硬件設(shè)計電路和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的論述。設(shè)計了雙電源切換系統(tǒng)，通過SPI協(xié)議與指紋采集頭FPC1011C和液晶屏進(jìn)行通信，能夠方便地進(jìn)行指紋采集、注冊、匹配，可實時顯示處理結(jié)果，并把數(shù)據(jù)及結(jié)果通過RS232傳送到電腦終端。另外，系統(tǒng)既可以脫機(jī)使用，也可與PC聯(lián)機(jī)使用。
關(guān)鍵詞：DSP；指紋識別；FPC1011C

引言
    指紋識別系統(tǒng)是日常生活中常見的一種識別方式，其廣泛應(yīng)用于門禁、考勤和其他安防領(lǐng)域。本指紋識別系統(tǒng)，采用雙供電方式，既可與電腦聯(lián)機(jī)使用，也可作為便攜式設(shè)備使用。作為便攜式時，大約可存儲300～500枚指紋，同時系統(tǒng)有著很高的識別率。
    指紋識別系統(tǒng)應(yīng)用范圍大、精度高、可以實時快速對指紋進(jìn)行采集，注冊匹配，廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域中。

1 硬件設(shè)計
1．1 硬件架構(gòu)框圖
    本指紋識別系統(tǒng)是以TMS320VC5510A為硬件平臺，配以Flash、SDRAM、指紋傳感器FPC1011C、LCD和鍵盤等外圍設(shè)備而成的嵌入式指紋識別系統(tǒng)。可以實現(xiàn)對指紋的識別、匹配、存儲等功能。系統(tǒng)采用雙電源設(shè)計保持系統(tǒng)隨時供電。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．2 指紋傳感器模塊
    FPC1011C是瑞典FingerPrints公司成功推出的一種電容式面裝指紋傳感器，具有高圖像質(zhì)量(363 dpi的分辨率)、高耐磨(高達(dá)100萬次)、高抗靜電(可達(dá)15 kV以上)、低功耗(3．3 V工作電壓下的功耗為50 mw)等特點，是一種全新的基于certus傳感器平臺的電容式指紋傳感器。其工作電壓為2．5 V或者3．3 V，傳感器還具有高速的SPI接口，8腳的軟排線可以方便地接入各種系統(tǒng)。
    系統(tǒng)采用3．3 V電壓對指紋傳感器進(jìn)行供電，把DSP的MCBSP2接口配置為SPI主機(jī)模式與傳感器(SPI從機(jī))進(jìn)行通信。采集圖像大小為200 ×152像素，SPI時鐘頻率由MCBSP2的CLKX2提供，設(shè)置為1 MHz。硬件連接如圖2所示。

1．3 電源模塊
    電源模塊由兩部分構(gòu)成，分別是電源電池自動轉(zhuǎn)換模塊和DC／DC電平轉(zhuǎn)換模塊。轉(zhuǎn)換模塊使系統(tǒng)在掉電的情況下可以自動轉(zhuǎn)到電池供電，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。DC／DC電平轉(zhuǎn)換為DSP外設(shè)提供3．3V電壓，為內(nèi)核提供1．6 V電壓。
    自動電源切換電路采用凌特公司的LTC4414，電路如圖3所示。LTC4414通過控制2個P溝道MOSFET，實現(xiàn)一種用于電源切換的近似理想二極管的功能，從而實現(xiàn)兩個電源的高效“或”操作。FDS6975是一款雙P溝道MOSFET芯片。

    電平轉(zhuǎn)換使用LMl085-3．3 V和LMl085-ADJ可調(diào)輸出電壓，輸出電壓VOUT=1．25×(1+R2／R1)。為產(chǎn)生1．6 V電壓，使R2=38．3 Ω，R1=110 Ω，電路如圖4所示。

1．4 人機(jī)交互模塊
    為方便操作和直觀顯示處理結(jié)果，系統(tǒng)安裝有鍵盤和LCD，可以實時進(jìn)行操作和顯示。LCD采用的是FYDl2864-0402B，其以ST7920為驅(qū)動模塊，內(nèi)嵌漢字庫，支持串口和并口數(shù)據(jù)傳輸。此處采用串口SPI協(xié)議傳輸，如圖5所示。

    數(shù)據(jù)傳輸時，DSP被配置為SPI主模式，以MCBSPl與LCD通信。通信過程中，CS為LCD的片選端，系統(tǒng)中直接接高電平，時鐘SCLK由DSP的CLKXl提供，SID連接MCBSP1的數(shù)據(jù)輸出口DXl。傳輸過程中要對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，使其符合SID顯示的數(shù)據(jù)格式。其中RW和RS為00時DSP向LCD寫指令，為01時寫數(shù)據(jù)。因此若向LCD發(fā)送數(shù)據(jù)“01h”，則實際數(shù)據(jù)為“FA0010”。時鐘頻率SCLK被設(shè)置為100kHz，可滿足實時顯示的需要。
人機(jī)交互中的鍵盤由3個按鍵組成，分別對應(yīng)3個硬件中斷(intO、intl、int2)，來實現(xiàn)指紋采集、注冊和匹配功能。指紋采集后存入SDRAM，注冊時指紋采集2次，匹配成功后存入Flash。匹配時先采集指紋進(jìn)入SDRAM，再提取Flash中的指紋進(jìn)行匹配，成功后作其他動作。

2 軟件設(shè)計
    在硬件架構(gòu)上必須有相應(yīng)的軟件設(shè)計才可以實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。軟件設(shè)計是在DSP的開發(fā)環(huán)境CCS中進(jìn)行的，運(yùn)用了嵌入式操作系統(tǒng)DSP／  BIOS，使開發(fā)更加方便快捷。在DSP／BIOS中，可方便地實現(xiàn)內(nèi)存分配、中斷選擇、任務(wù)調(diào)度等功能。
    本系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度主要以3個硬件中斷為觸發(fā)條件，來實現(xiàn)指紋采集、注冊和匹配功能，具體框圖如圖6所示。

    采用SEM對系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，系統(tǒng)上電啟動后，任務(wù)處于掛起狀態(tài)，并一直輪詢，等待中斷觸發(fā)。啟動注冊中斷時必須在采集兩枚有效指紋數(shù)據(jù)成功的情況下觸發(fā)，否則會顯示注冊失敗。注冊中斷觸發(fā)后，對兩枚指紋進(jìn)行匹配，如匹配成功則指紋特征數(shù)據(jù)寫入Flash，如果失敗則重新采集兩枚指紋進(jìn)行注冊。這樣可以降低因為首次指紋采集不清晰，而產(chǎn)生的匹配不成功。指紋匹配中斷觸發(fā)前提是Flash中存有注冊的指紋，同時實時采集新的指紋成功。若匹配失敗，則必須重新采集指紋進(jìn)行匹配。
    指紋傳感器圖像采集程序如下：

3 總結(jié)
    本指紋采集系統(tǒng)可以完美地實現(xiàn)指紋的采集、注冊和匹配功能，其內(nèi)部算法處理時間<1 s，完全可以滿足實時工作的需要。用各手指進(jìn)行試驗后，其平均FRR(FalseRejection Rate)和FAR(False Acceptance Rate)可達(dá)2．83％和0．17％，完全可以滿足生活中的需要。